Этот таинственный свет

Оптика («наука о зрении») возникла в глубокой древности. На протяжении многовековой истории человек задавал (и до сих пор задает) себе вопросы, что такое свет и какова его природа.

Пифагор и его ученики считали, что зрительные ощущения возникают благодаря тому, что из глаз к предметам исходят «горячие испарения» (лучи),.которые «ощупывают как бы щупальцами предметы, давая их ощущения». Основными доводами к такому представлению о свете были просты: закрывая глаза, человек ничего не видит, а глаза животных светятся в темноте.

Спустя IOO лет древнегреческий философ Эмпедокл из Агригента выдвинул другую гипотезу света, согласно которой от светящихся тел направляются истечения к глазам, а из глаз исходят истечения к телам. От встречи этих истечений возникают зрительные ощущения. Сходной точки зрения придерживался и Платон.

В средине IV века до н.э. атомисты (Демокрит и его сторонники) отвергли гипотезу о зрительных ощущениях. Согласно их взглядам, зрение обусловлено падением на поверхность глаза мелких атомов, исходящих от предметов. Аристотель также был противником зрительных лучей и считал, что причина зрительных ощущений лежит вне человеческого глаза, а именно в среде между наблюдаемым телом и глазом.

В первом тысячелетии н. э история не зафиксировала видных работ по теории света. И только в начале второго тысячелетия арабский физик Альхазен (1038) создал теорию, согласно которой из каждой точки видимого тела исходят лучи (в отличЪе от атомов Демокрита), которые, достигая глаз, вызывают зрительные ощущения. Он также полагал, что свет обладает конечной скоростью.

В XV веке оптика становится самостоятельным разделом физики, но свое бурное развитие она претерпела в XVII веке (“золотом веке оптики”). Были открыты многие новые свойства света (законы преломления и отражения света, дисперсии и др.), изобретены оптические приборы (зрительные трубы, микроскоп).

цветов спектра. Спустя двенадцать лет (1678) X. Гюйгенс разрабатывает математический аппарат волновой теории света, в соответствии с которой свет распространяется в особой среде (эфире) подобно звуковым (продольным) волнам в воздухе.

Особенно бурно развивалась оптика в XIX веке. У. Гершель, Т. Юнг, 5

О.              Френель, Й. Фраунгофер, Г. Кирхгоф, У. Гамильтон, Г. Герц, Дж. Стокс, Дж.Тиндаль, М. Фарадей, Дж.Максвелл, А.Г. Столетов и др. разработали многие теоретические положения современной оптики. Большинство из этих ученых придерживались эфирной теории природы све- - та. Так Дж.Тиндаль, говоря о механизме передачи света от источника к глазу, писал: “Он содержит в себе понятие о средине (среде — Н.М.), наполняющей мировое пространство и механически приспособленной к передаче колебаний света и теплоты, подобно тому, как воздух приспособлен для передачи звука. Эта среда называется светоносным эфиром... Им заполнены все промежутки между атомами» [26, с. 10].

29 августа 1831 г. английский физик Майкл Фарадей открывает t явление электромагнитной индукции — явление порождения электрического поля переменным магнитным полем, а в 1845 году — явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в прозрачных веществах, вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея). Данному открытию Фарадей придавал большое значение, о чем свидетельствуют взволнованно написанные им слова, что он «намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию».

Эффект Фарадея явился первым и весьма важным доказательством связи между оптикой и электромагнетизмом. После этого открытия основой научного миропонимания Фарадея стала глубокая убежденность во взаимосвязи электрических, магнитных, оптических и других физических и химических явлений.

В статье «О фарадеевых силовых линиях» (1856) Дж.Максвелл писал: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство.

В XVII-XIX веках абсолютное большинство физиков считали, что распространение света представляет собой колебательный процесс в эфирной среде. Так, например, Максвелл утверждал: “Все теории приводят к концепции среды, в которой может иметь место распространение. И если мы примем эту среду в качестве гипотезы, я считаю,

что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях” [7, с.632].

В 1862-1869 годах Максвелл облекает идеи Фарадея в строгую математическую форму, связывающую воедино магнитные и электрические силовые линии. Он придерживался гипотезы существования во Вселенной универсального эфира, и ему принадлежит гениальная догадка, что свет является частным случаем электромагнитных волн, о чем он писал: «Волновая теория света... допускает существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды ... Свет и магнетизм являются проявлением одной и той же субстанции... Свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле» [7, с. 550].

С того'времени светоносный эфир Вселенной заменяется т универсальный эфир.

Гюйгенс, Тиндаль и др. полагали, что распространение колебаний световой волны в эфире происходят наподобие звуковой волны в воздухе, т.е. в виде продольных волн (сжатий и расширений). Эта гипотеза просуществовала до того времени, когда Т. Юнг и О. Френель установили, что световая волна обладает свойствами поперечной волны. С тех пор считается, что световая волна является поперечной электромагнитной волной.

Теория света Томаса Юнга и Огюста Френеля, устанавливающая поперечность волн света, его поляризацию и другие его свойства — все эти открытия сводились, в основном, к детализации представлений формы и вида световых излучений. Однако они не давали ответа на вопрос, что такое свет не по форме, а по содержанию.

В XX веке продолжалось развитие теоретических основ оптических явлений, но они, в основном, были связаны с раскрытием физики процессов взаимодействия света и вещества.

В 1900 году М. Планк показал, что процесс излучения дискретен, т.е. свет испускается не непрерывно, а дискретными порциями. Эта дискретная порция получила название'“постоянная Планка”. Началась эра квантовой теории. А. Эйнштейн на ее основе выдвинул гипотезу, что поглощение света происходит теми же порциями и что вообще “однородный свет состоит из зерен энергии (световых квантов),... несущихся в пустом пространстве со скоростью света” (в отличие от частиц Ньютона — Н.М.). Эта гипотеза позволила Эйнштейну “объяснить” закон фотоэффекта, ранее открытого А.Г. Столетовым, за что он в 1921 году был удостоен Нобелевской премии.

Большой вклад в развитие теории света внесли российские и советские ученые, такие как П.Н. Лебедев, С.И. Вавилов, И.Е. Тамм,

И.М. Франк и др. П.Н. Лебедев открыл и измерил давление света на твердые тела. ,

По этому поводу английский физик У. Томсон писал: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавал его светового давления, и вот... Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». С.И. Вавилов является основателем российской научной школы физической оптики и основоположником исследований люминесценции и создания нелинейной оптики.

Одним из ярких достижений лазерной физики во второй половине XX века стала разработка методов генерации и формирования световых импульсов длительностью ~ 10—15 секунды (фемтосекундных импульсов), под огибающих которых укладывается лишь несколько периодов колебаний. К 1987 году были получены импульсы длительностью т = 6 фс в видимом диапазоне (три периода световых колебаний), что в значительной мере расширило возможности спектроскопии быстро- протекающих процессов (14).

Таким образом, за последние 250 лет в оптике достаточно глубоко были исследованы только количественные и качественных характеристики света, но его природа до сих пор остается неясной.

С целью объединения квантовой и волновой теорий света была выдвинута гипотеза корпускулярно-волнового дуализма, которая заключается в том, что любые микрочастицы материи (фотоны, электроны, атомы и др.) обладают свойствами, как частиц (корпускул), так и волн. Количественное же выражение корпускулярно-волнового дуализма определяются соотношениями де Бройля. Однако, несмотря на многочисленные попытки, никому еще так и не удалось дать наглядную интерпретацию двойственности корпускулярно-волновой природы света. И е принятием этой гипотезы не стало легче, так как вместо одной тайны возникла другая: какие силы заставляют «дрожать» электроны, атомы, молекулы? Поэтому объединение квантовой и волновой теорий света в так называемую квантомеханическую теорию только сдерживает развитие науки.

В любом волновом процессе, где наблюдается образование и распространение поперечной волны в обязательном порядке должны также образовываться и распространяться и продольные волны. Поэтому световая волна должна состоять из продольной и поперечной волн, т.е. свет должен представлять сбой эфирную (электромагнитную) волну, которая распространяется одновременно по законам как поперечной волны (поперечная составляющая), так и продольной волны (продольная составляющая). Продольная эфирная волна формирует корпускулярные характеристики света (давление света, явление фотоэффекта, комптоновское рассеивание и др.), а поперечная волна — волновые характеристики света (дифракцию, интерференцию, поляризацию).

Из данной гипотезы природы света следует, что эйнштейновских «световых квантов (фотонов — Н.М.), несущихся в пустоте», в природе не существует. Это утверждение вызовет наибольшие возражения физиков, ибо в этом случае специальная теория относительности с ее парадоксами должна быть признана ошибочной со всеми вытекающими отсюда последствиями. Ведь трудно себе представить, что фотоны, пролетев от Солнца до Земли расстояние в 150 миллионов километров и двигаясь волнообразно, через 8 мин. 20 сек. достигают нашего глаза, проходят ёго и воздействуют на сетчатку. А все те эффекты, которые, как считается, возникают от воздействия на приборы фотонов, по- видимому, обусловлены продольными колебаниями эфитонов.

Таким образом, физически эфирная волна должна представлять собой продольные и поперечные колебания эфитонов в узлах эфирной решетки, которые передаются последовательно от узла к узлу в продольном и боковом направлениях.

Очевидно, что наибольшую энергию несут колебания эфитонов с более короткой длиной волны. За единицу измерения данной энергии часто принимают электрон-вольт (I эВ = 1,6 • 10-19 Дж)

Колебания эфитонов видимого диапазона, обладая энергией в 2-3 эВ, занимают лишь небольшую область электромагнитного спектра, который простирается от значений энергии порядка миллионных долей электронвольта для метрового диапазона радиоволн, до миллионов электонвольт для гамма-излучений.

Если свет представляет собой синтез продольных и поперечных электромагнитных волн с длиной волны 390-760 нм, то и весь остальной диапазон также должен представлять подобный синтез. При этом, чем короче длина волны, тем сильнее будет проявляться ее продольная составляющая, определяющая корпускулярные свойства электромагнитной волны.